ANSYS Simulation: Abschaltbarer Haltemagnet für Weltraumanwendungen

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ANSYS Simulation: Abschaltbarer Haltemagnet für Weltraumanwendungen

  1. 1. 6. CADFEM Austria Users’ Meeting EURO PLAZA Conference Center Wien, 7. April 2011 Abschaltbarer Haltemagnet für Weltraumanwendungen C. Laa, T. Nitschko, L. Supper, G. Traxler, RUAG Space GmbH, Austria J.M. Lautier, ESA-ESTEC
  2. 2. Inhalt Technische Anforderungen Aktuator Konzept Analyse – Statisch, Dynamisch, Thermisch Technische Eigenschaften Teile des Aktuators Test Aufbau Test Sequenz Messungen am offenen Aktuator Aktivierung mit und ohne Vorspannung Vorgangsweise zum Schließen Test Ergebnisse Anwendungsmöglichkeiten Zusammenfassung 2 | RUAG Space GmbH 21.03.2013
  3. 3. Technische Anforderungen ITAR frei Wiederverschließbar (>100 Zyklen) Wenig Shock beim Öffnen: <100g (SRS, Q=10, d=10 cm) Masse: <400g Kein Energieverbrauch im geschlossenen Zustand Haltekraft: >1500 N Toleranz: ±2 deg (cone) Temperaturbereich (im Betrieb): -80 bis +120 °C Elektrisch redundant Betriebsspannung: 26 Volt DC ±10% Steuerimpuls: 10 bis 250 ms (Anforderung für Steuerelektrik) Maximaler Strom ohne Aktivierung: 1.0 A (5 min) Steifigkeit (erste Eigenfrequenz): >140 Hz Vibration: 90g (quasi-statisch); 30.7g (rms, Rauschen) Lebensdauer : 10 Jahre 3 | RUAG Space GmbH 21.03.2013
  4. 4. Aktuator Konzept Eisen beweglicher Teil außen Permanentmagnet (SmCo) Eisen beweglicher Teil innen (Abschirmung) Eisenring oberhalb der Spulen Obere Spule Untere Spule Eisen fester Teil4 | RUAG Space GmbH 21.03.2013
  5. 5. Analyse - StatischesMagnetfeld5 | RUAG Space GmbH 21.03.2013
  6. 6. Analyse - StatischesMagnetfeld Magnetisches Streufeld mit Reduktion ohne Reduktion durch Abschirmung6 | RUAG Space GmbH 21.03.2013
  7. 7. Analyse - StatischesMagnetfeld • ein Teil relativ zum anderen verschoben • zentrierende Kraft mit etwa 10 % der Haltekraft7 | RUAG Space GmbH 21.03.2013
  8. 8. Analyse - DynamischesMagnetfeld t = 24 ms t = 66 ms t = 125 ms8 | RUAG Space GmbH 21.03.2013
  9. 9. Analyse - Drahttemperatur T = 25°C T = 120 °C 160 150 140 I = 7.5 A 120 I = 5.0 A I = 7.5 A Temperature in °C I = 3.0 A 140 I = 7.0 ATemperature in °C I = 2.0 A I = 6.0 A 100 I = 1.0 A I = 5.0 A 80 130 60 40 20 120 0 10 20 30 40 50 60 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Time in sec Time in sec Maximal möglicher Dauerstrom ohne Beschädigung I = 1.0A Temperatur für I = 7.5A bis zu 200ms unter 125°C Keine Messungen des Spulenfeldes für I > 1.0 A möglich 9 | RUAG Space GmbH 21.03.2013
  10. 10. Technische Eigenschaften Gewicht der aktiven Elemente: 375 g Gewicht mit Testaufbau: 1.3 kg Abmessungen: Aktive Elemente: Durchmesser: 60 mm Höhe: 27 mm (11mm+16mm) Testaufbau: Durchmesser: 104 mm Höhe: 150 mm (geschlossen) Charakteristik: Haltekraft 1500 N nominell Betribsspannung 26 V ± 10% Aktivierungszeit ≤ 200 ms Temperaturbereich (im Betrieb): -80°C / +120°C 10 | RUAG Space GmbH 21.03.2013
  11. 11. Teile desAktuators Permanentmagnet Eisen beweglicher Teil außen Eisenring oberhalb der Spulen Eisen beweglicher Teil innen (Abschirmung) Obere und untere Eisen fester Teil Spule Einzelteile des beweglichen Teils fester Teil mit Spulen11 | RUAG Space GmbH 21.03.2013
  12. 12. Test Aufbau • Ein Test Aufbau für alle erforderlichen Tests • Federn um den beweglichen Teil im geöffneten Zustand zu halten Geschlossener Zustand Geöffneter Zustand12 | RUAG Space GmbH 21.03.2013
  13. 13. 13 | RUAG Space GmbH 21.03.2013
  14. 14. Test Sequenz mit Indikation von Visual Inspection und Performance Test14 | RUAG Space GmbH 21.03.2013
  15. 15. Messungen am offenen Aktuator Datum: 26 January 2010 Strukturdatei Ronde_2-Ringspalt_03 Ronde SN02 Ringspalt 1,2 Tesla 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 -2 -1 0 1 2 3 4 mm 5 Magn. f(Y) Feldstärke im Spalt des beweglichen Teils → 1.0 Tesla Kan 6 Datum: 27 January 2010 Strukturdatei Spule_2-Ringspalt_03 23,9°C Spule SN02 Ringspalt eintauchen 0,20 Tesla 0,15 0,10 0,05 0,00 0 2 4 6 8 mm 10 Magn. f(Y) Spule unten 1A Feldstärke im Spalt des festen Teils für I=1.0A → 0.15 Tesla ⇒ Strom zum Öffnen ~ 7 A 15 | RUAG Space GmbH 21.03.2013
  16. 16. Messungen am offenen Aktuator Datum: 28 January 2010 Strukturdatei Spule 0ben_7,5A Puls Spule oben 1,0 10 Tesla V, A 0,939 0,8 8 7,52 0,6 6 0,4 4 0,2 2 0,173 0,0 0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 s 0,5 Puls Strom Magn. Tabor 8021 = 200ms Feldstärke im Spalt des festen Teils für I=7.5A / 200ms → 0.94 Tesla16 | RUAG Space GmbH 21.03.2013
  17. 17. Aktivierung mit 300 N Vorspannung Datum: 28 January 2010 Strukturdatei El-Release-oben_1 Puls Spule oben 400 10 N V, A 8 7,59 300 6 200 4 100 2 0,173 0 0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 s 0,5 Puls Strom Filter-F Burster Tabor 8021 = 200ms URNS öffnet nach ~ 20 ms @ ~ 6.3 A 17 | RUAG Space GmbH 21.03.2013
  18. 18. Aktivierung ohne Vorspannung Datum: 28 January 2010 Strukturdatei El-Release-unten_2 Puls Spule unten 400 10 N V, A 8 300 7,42 6 200 4 100 2 0,173 0 0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 s 0,5 Puls Strom Filter-F Burster Tabor 8021 = 200ms URNS öffnet nach ~ 30 ms @ ~ 6.8 A 18 | RUAG Space GmbH 21.03.2013
  19. 19. Vorgangsweise zum Schließen Mit Einstellung der Vorspannung: sicher stellen, daß Spannschraube ganz oben ist (Mutter ganz unten ohne ganz fest zu sein) Platzierung des Gehäuses auf der Grundplatte (wenn es noch nicht der Fall ist) bewegliche Kappe mit Kraftsensor herunterdrücken beweglichen Teil durch lösen der Mutter absenken (Schraube mit Imbusschlüssel festhalten) gewünschte Vorspannung einstellen Mit bereits richtig eingestellter Vorspannung: Platzierung des Gehäuses auf der Grundplatte (wenn es noch nicht der Fall ist) bewegliche Kappe mit Kraftsensor herunterdrücken19 | RUAG Space GmbH 21.03.2013
  20. 20. Test Ergebnisse Test Ergebnisse für Kraft über Weg Messung 1800 1600 1400 Calculation 1200 Measurement SN02 Force in N 1000 800 600 400 200 0 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 Air-gap in mm Gute Übereinstimmung von Analyse und Messung20 | RUAG Space GmbH 21.03.2013
  21. 21. Test Ergebnisse Test Ergebnisse für Messung des generierten Schock SRS unter Limit von 100g in vertikaler Richtung21 | RUAG Space GmbH 21.03.2013
  22. 22. Test Ergebnisse Test Ergebnisse für Vibrations Test keine Resonanz unter 1000 Hz22 | RUAG Space GmbH 21.03.2013
  23. 23. Test Ergebnisse Test Ergebnis für Thermal Vakuum Zyklieren Thermal Zyklen mit hoher Vorspannung von 1500 N (-10%)23 | RUAG Space GmbH 21.03.2013
  24. 24. Test Ergebnisse Test Ergebnis für Thermal Vakuum Zyklieren Aktivierung im Vakuum bei +120°C24 | RUAG Space GmbH 21.03.2013
  25. 25. Test Ergebnisse Test Ergebnis für Thermal Vakuum Zyklieren Aktivierung im Vakuum bei -80°C (ohne Kraftsensor)25 | RUAG Space GmbH 21.03.2013
  26. 26. Test Ergebnisse Test Ergebnis für Lebensdauertest keine Degradierung nach > 100 Aktivierungszyklen26 | RUAG Space GmbH 21.03.2013
  27. 27. Test Ergebnisse Test Ergebnis für Messung der abstoßenden Kraft Gute Übereinstimmung von Analyse und Messung27 | RUAG Space GmbH 21.03.2013
  28. 28. Anwendungsmöglichkeiten Verschiedene Möglichkeiten Einstellung des Winkels beweglicher Teil Konus für laterale Kräfte fester Teil Einbauvariante mit Luftspalt im geöffneten Zustand 28 | RUAG Space GmbH 21.03.2013
  29. 29. Anwendungsmöglichkeiten Verschiedene Möglichkeiten Vorspannungsmessung Einstellung des Winkels beweglicher Teil Konus für laterale Kräfte fester TeilEinbauvariante ohne Luftspalt im geschlossenen Zustand 29 | RUAG Space GmbH 21.03.2013
  30. 30. Zusammenfassung Berechnung der Kräfte durch ANSYS sehr genau für Haltekraft und für abstoßende Kraft bei Aktivierung Berechnung des Aktivierungsstroms durch ANSYS sehr genau Für die Messung der abstoßenden Kraft mußte das Öffnen während der Aktivierung verhindert werden Verlust der Zentrierung ohne zusätzliche Maßnahmen möglich Wenn die Zentrierung um mehr als ca. 0.5 mm falsch ist kann das zu Fehlverhalten bei nachfolgenden Aktivierungen führen Zentrierung muß durch Einbau sichergestellt werden30 | RUAG Space GmbH 21.03.2013
  31. 31. Zusammenfassung Entwicklung war erfolgreich Einsatz bei Weltraummissionen ist möglich Entwicklung hat Vorteile bestätigt: Nahezu kein Schock durch Aktivierung Schnelle Ansprechzeit Kompaktes und robustes Design Gutes Verhältnis von Haltekraft zu Gewicht (bei relativ niedriger Haltekraft) Unbegrenzte Aktivierungszyklen Nachteile Steuerelektronik für Aktivierung notwendig Begrenzte Haltekraft gemäß Haltekraft ≈ Fläche ≈ (Durchmesser)² ≈ Gewicht)²/³31 | RUAG Space GmbH 21.03.2013
  32. 32. Fragen? Interesse?Kontaktieren Sie uns – wir helfen Ihnen gerne!CADFEM (Austria) GmbHWagenseilgasse 141120 WienTel. +43 (0)1 587 70 73 – 0E-Mail. info@cadfem.atWeb. http://www.cadfem.atImmer aktuell informiert – CADFEM Blog, Xing und Youtube-ChannelCADFEM Blog - Umfassend informiert • News zur FEM-Simulation - What‘s hot? What‘s new? • Video-Tutorials - ANSYS, LS DYNA & mehr • Hinter den Kulissen: CADFEM internCADFEM Youtube Channel - Tips & Trick • Video Tutorials - ANSYS Software und CADFEM ApplicationsCADFEM auf Xing - News kompakt • Vorschau auf Events & Seminare • Neue CADFEM Produkte • CADFEM Jobbörse

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